Золтан Орбан
ИССЛЕДОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОСТОВ АРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)»
05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск
2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».
Научный руководитель:
Якимович Борис Анатольевич, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»
Официальные оппоненты:
Ломаев Гелий Васильевич, доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»;
Кутергин Владимир Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ОАО «Ижмаш»
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Защита состоится « 26 » ноября 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.065.06 ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим выслать по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, диссертационный совет Д212.065.06 ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».
Автореферат разослан «____» ____________ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук доцент Сяктерев В.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
нагрузка мост арочный железнодорожный
Арочные мосты из кирпичей и камня составляют значительную долю общего количества мостов в Европе и во всём мире. Арочные мосты являются самыми старыми конструкциями мостов, тысячи из которых в настоящее время находятся в эксплуатации, несмотря на то, что характер их нагрузки значительно изменился со времени их постройки. Возросшие нагрузки и тенденция к их дальнейшему увеличению, таким образом, выдвигают на первый план вопросы: оценка надёжности арочных мостов с учетом их современного технического состояния и существующей в настоящее время тенденции возрастания нагрузки, которой они подвергаются; прогнозирование устойчивости к нагрузкам в будущем; определение ожидаемого срока службы мостов арочной конструкции с учётом изменившихся условий нагрузок и ускоренного ухудшения их состояния; экономическая целесообразность дальнейшей эксплуатации арочных мостов в сложившихся условиях и т.д. Для решения задач, связанных с вышеприведёнными вопросами, а также урегулирования проблем эксплуатации арочных мостов по инициативе автора и под его руководством был создан международный проект, направленный на проведение системных научных исследований мостов арочной конструкции. Некоторые результаты выполнения упомянутого проекта приводятся в данной работе.
Актуальность исследования. Необходимость повышения срока эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции, имеющих широкое распространение в России и Европе, и нуждающихся в постоянном мониторинге с применением эффективных расчетно-экспериментальных методов контроля эксплуатационной надежности, определяет актуальность проводимых исследований. Применение изложенных в работе теоретических положений и технических решений позволяет обеспечить формирование с системных позиций методического обеспечения комплексной системы оценки пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции, включая мосты со значительными сроками эксплуатации. В ряде случаев такой подход позволяет гарантированно повысить эксплуатационную нагрузку, что соответствует наметившейся в последнее время тенденции в эксплуатации железнодорожного транспорта.
Цель работы. Разработка многоуровневого алгоритма оценки пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции и формирование рекомендаций по их дальнейшей эксплуатации с учетом выявленного состояния.
Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются и решаются следующие задачи:
1. Анализ состояния железнодорожных мостов арочной конструкции, эксплуатирующихся в настоящее время в Европе, с учетом особенностей их конструирования, технологии строительства и условий эксплуатации.
2. Поиск и развитие расчётных методов, обеспечивающих анализ структурного поведения и определение несущей способности мостов арочной конструкции, проведение исследований их структурного поведения с учетом влияния определяющих факторов.
3. Разработка комплексного метода, обеспечивающего проверку пригодности к эксплуатации мостов арочной конструкции с учетом наблюдающихся разрушений их конструкции, и определение уровня эксплуатационных нагрузок, обеспечивающих возможность дальнейшей эксплуатации под воздействием многократно повторяющихся нагрузок.
4. Поиск и экспериментальное исследование эффективности методов, обеспечивающих неразрушающий контроль или контроль с минимальным уровнем разрушения, которые позволяют получить необходимые характеристики конструкции и использованных материалов, разработка практических рекомендаций по их применению.
5. Систематизация результатов проведенных исследований и разработка многоуровневого алгоритма, обеспечивающего оценку пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции и формирование практических рекомендаций по их дальнейшей эксплуатации.
Объектом исследования являются железнодорожные мосты арочной конструкции, предметом исследования, соответственно, являются критерии и методы оценки состояния и пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции.
Методы исследования. В работе использованы положения системного анализа, методы теории систем, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики.
На защиту выносятся следующие положения:
- метод выявления стохастической чувствительности входных параметров, применяемых в ходе расчётов несущей способности арки моста, позволяющий определить, каким образом их статистические характеристики влияют на статистические характеристики сопротивления конструкции;
- метод проверки эксплуатационной пригодности арочных мостов путем сопоставления проектировочных величин нагрузки и сопротивления, который обеспечивает необходимую точность оценки, а также метод расчета для контроля пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов, основанный на применении принципа допустимых напряжений;
- многоуровневый алгоритм оценки несущей способности моста арочной конструкции, предусматривающий три уровня оценки несущей способности арочного моста в соответствии с его состоянием;
- методика диагностики состояния мостов арочной конструкции с применением средств радиоволнового, теплового и визуального видов неразрушающего контроля, в частности георадара, тепловизора, бороскопа и эндоскопа.
Научная новизна. В ходе исследований получены следующие новые научные результаты:
1. На основании системного анализа конструкций мостов, проведенного с применением метода неподвижного блока и модели дискретных элементов, выявлены факторы, имеющие наибольшее влияние на несущую способность арочных мостов с арками полукружной формы или формы кругового сегмента, определен характер их воздействия в определенных диапазонах численных значений.
2. Разработан метод, позволяющий оценить стохастическую чувствительность входных параметров, применяемых при расчёте несущей способности арки. Предложены методы проверки надёжности на основе сопоставления проектировочных величин нагрузки и сопротивления, обеспечивающие необходимый уровень точности, а также метод расчета для контроля пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов, основанный на применении принципа допустимых напряжений. Сформирована система критериев, предназначенная для предотвращения усталостного разрушения конструкции в связи с нагрузками сжатия.
3. Впервые разработан и предложен алгоритм многоуровневой оценки несущей способности моста арочной конструкции, предусматривающий три уровня оценки несущей способности арочного моста в соответствии с его состоянием.
4. На основе анализа результатов выполненного комплекса экспериментальных исследований проведена систематизация методов неразрушающего контроля с точки зрения их применимости для оценки факторов, влияющих на пригодность к эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции.
5. Доказана эффективность использования ряда методов неразрушающего контроля для оценки внутреннего состояния и структуры мостовых конструкций, разработаны методики: исследования кирпичной кладки с применением георадара, диагностики состояния мостов арочной конструкции с применением приборов и устройств, фиксирующих инфракрасное излучение, и визуального контроля с использованием средств эндоскопии и бороскопии.
6. С использованием модельных экспериментов найдены диапазоны частот георадара, на которых наиболее достоверно выявляются те или иные дефекты и структурные неоднородности конструкции моста.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в использовании алгоритма оценки пригодности к эксплуатации железнодорожных мостов арочной конструкции для определения эксплуатационного состояния действующих арочных мостов. Создан комплекс неразрушающих методов исследования параметров и характеристик арочных мостов, влияющих на их пригодность к эксплуатации, который обеспечивает методическую поддержку разработанного многоуровневого алгоритма. Разработаны практические методики применения определенных методов неразрушающего контроля, которые обеспечивают эффективное их применение для контроля и оценки состояния конструкции и эксплуатационного состояния арочных мостов, расположенных на железнодорожных магистралях Венгрии. Предложенные методики могут быть использованы для анализа состояния конструкций строительных сооружений.
Апробация работы. Содержание и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях:
1. Информационные технологии в инновационных проектах. 4-я международная конференция (Ижевск, 29-30 мая 2003 г.);
2. ARCH 04: 4th International Conference on Arch Bridges (Barcelona, 2004);
3. Savremena Gradevinska Praksa (Novi Sad, Serbia, 15-16 March, 2006);
4. 6th International PhD Symposium in Civil Engineering, Zurich, Switzerland (23-26 August, 2006);
5. International Conference on Railway Engineering-2007 (London, 13-14 June 2007);
6. ARCH 07: 7th International Conference on Arch Bridges (Madeira, Portugal, 12-14 September 2007);
7. Sustainable Bridges - Assessment for Future Traffic Demands and Longer Lives (Wroclaw, Poland, 14-16 October 2007).
Выступления на научных и научно-методических семинарах и конференциях ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».
Публикации. Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ, 11 публикаций в зарубежных изданиях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (102 наименования источников) и 7 приложений. Диссертация содержит 127 страниц, 33 таблицы и 60 иллюстраций.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и сформулированы задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава посвящена анализу современного состояния мостов арочной конструкции, рассмотрены основные проблемы, связанные с эксплуатацией арочных мостов в современных условиях. Анализируются основные особенности проектирования и строительства железнодорожных арочных мостов, методы оценки их эксплуатационной надежности, рассматриваются особенности эксплуатации арочных мостов, а также методы, применяемые в настоящее время для исследования их состояния. Подробно рассмотрены особенности эксплуатации арочных мостов и основные механизмы разрушения арочных конструкций мостов. Приводится обзор основных методов неразрушающего контроля, используемых для исследования состояния железнодорожных мостов арочной конструкции.
Вторая глава содержит результаты исследования факторов, влияющих на состояние железнодорожных мостов арочной конструкции. Проведен анализ влияния параметров, связанных с важнейшими конструктивными характеристиками арочных мостов и характеристиками конструкционных материалов, на структурное поведение, несущую способность, надёжность и пригодность к эксплуатации мостов арочной конструкции, связанную с явлением усталости.
Для оценки влияния геометрических параметров конструкции и характеристик материала на несущую способность применялся метод «неподвижных блоков». В качестве основных геометрических параметров, применяемые при расчётах, рассматривались следующие параметры: L - длина пролёта моста (м); dc - толщина арки у ключевого камня (м); ds - толщина арки у пяты (м); r - подъём арки (м); h - полная высота/толщина насыпи над аркой (м); ha - толщина основания; hf - толщина подстилающего слоя (из гравия); H - высота устоя моста (м); Hp - высота промежуточной опоры (м); a1 - ширина устоя моста у линии пяты (м); a2 - ширина устоя моста у верхней плоскости фундамента (м); Bp - ширина промежуточной опоры (м); hb - высота опорной стены с задней стороны (м). Величины ряда параметров материалов и конструкций определялись в соответствии с ограничениями инструментальных методов исследования. Рассматривалась одноосная нагрузка с использованием модели распределения нагрузок. Для установления определённо-минимальной разрушающей нагрузки позиция нагрузки от транспорта изменялась вдоль длины арки с интервалом шага в 0,1 м. Далее в результате измерения разрушающих нагрузок определялась минимальная из них, которая рассматривалась как определяющая.